Transcript 2.3-机械仿生
神奇的仿生工程 课程简介 课程主要内容 1. 绪论 2. 结构仿生 3. 能量仿生 4. 力学仿生 5. 信息与控制仿生 6. 仿生系统工程 1 神奇的仿生工程 1 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼 2 神奇的仿生工程 仿生机械学概述 仿生机械学，它是模仿生物的形态、结构和控制原理设 计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械的 一门科学。 脑 生物 机械 人工智慧 机器视觉 眼睛 人工声带 嘴巴 手 机器手臂 脚 机器脚 3 神奇的仿生工程 1 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼 4 神奇的仿生工程 机械仿生手 三指机械手 5 神奇的仿生工程 三指机械手 四指机械手 6 神奇的仿生工程 Festo的气动仿生全 向机械臂 人机合一的机械臂 日美的机器人手 足都像机器.但德 国的仿生科技最 接近人的肌肉肌 体 7 神奇的仿生工程 1 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼 8 神奇的仿生工程 仿生多足机器人 机械本体的研究关键—腿部结构 缩放型机构 缓冲型虚拟弹簧腿机构 四连杆机构 并联机构 平行杆机构 多关节串联机构 9 缓冲型弹簧腿 神奇的仿生工程 10 缩放型腿机构 神奇的仿生工程 11 两种弹跳模型 神奇的仿生工程 12 神奇的仿生工程 四足机器人分类 缩放式 关节式 13 哈工大机器人（缩放式） 神奇的仿生工程 14 上交机器人（关节式） 神奇的仿生工程 15 神奇的仿生工程 1 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼 16 仿生狗 神奇的仿生工程 17 西北工大仿生狗 神奇的仿生工程 18 神奇的仿生工程 BIGDOG 19 神奇的仿生工程 Bigdog研发过程 Boston bigdog 单腿跳机器人 双足机器人 四足机器人 动画 20 神奇的仿生工程 1 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼 21 神奇的仿生工程 机器蛇的发展现状 仿生蛇 蛇形机器人的发展简介 1972年，东京科技大学 第一台蛇形机器人 40cm/s 2000年，美国NASA 代表当今世界的先进水平 2001年，国防科技大学 我国首台蛇形机器人 美国多关节蛇形机器人 国防科大的蛇形机器人 22 神奇的仿生工程 蛇形机器人的运动方式 机器蛇的主要运动方式是在不同的时刻，对不同关节运 动姿态进行有序的排列，由于受力关系的不同，产生各种各 样的运动方式。 可实现的运动方式：游动、蠕动 Tokyo Tech’s ACM-R5 Snake Robot 仿生蛇 23 神奇的仿生工程 1 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼 24 神奇的仿生工程 仿生鱼 一． 仿生机器鱼概述 1.定义：根据仿生学原理设计模仿鱼类运动的 用于水中作业的机器人 2.应用领域： 环境监测 海底勘探、海洋救捞 管道监测 军用方面 海洋生物观察 娱乐方面 25 神奇的仿生工程 仿生机器鱼特点 与传统螺旋桨水中推进器比较，仿生机器鱼有以下优点 推进效率高：可以达到80%以上，螺旋桨推进只有40%~50% 机动性好：转弯半径只有体长10%~30% 噪音低 对环境扰动小 26 神奇的仿生工程 鱼类游动机理 P.Webb在1984年根据鱼类游动推进所使用身体部位的不同， 对鱼类的游动推进模式提出了详细的分类方案: a.身体、尾鳍推进模式(BCF Model) b.中间鳍、对鳍推进模式(MPF Model) 27 神奇的仿生工程 1.鱼类游动机理 a.身体、尾鳍推进模式(BCF Model) 利用躯干部和尾部肌肉(大侧肌)的交替伸缩，使身体左右扭动屈曲前 进即通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力。 四种BCF模式 28 神奇的仿生工程 1.鱼类游动机理 b.中间鳍、对鳍推进模式(MPF Model) 主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动产生推进力，一般为辅助推进模式，但对 于而鳐科模式(Rajiform) 、刺鲀科模式(Diodontiform)的鱼类MPF则为 主要的推进方式。 29 神奇的仿生工程 2.仿生机器鱼推进机理 根据鱼类游动机理分不同，仿生机器鱼推进机理主要分 为： BCF模式 MPF模式 其他模式：磁场引导方式等 30 神奇的仿生工程 1.大中型仿生机器鱼 应用于海洋石油开采，海下勘查、救捞作业、管道敷设 和 检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等领域。 按照致动器的类型可以分为：传统电 动、液压、气压驱动方式及离子电动 聚合物致动器、形状记忆合金致动器、 气动人工肌肉致动器、动物活体肌肉 致动器等类型； 按其能源供给方式分为有揽和无揽两 种； 按照其游动推动机理可以分为仿BCF 和仿MPF两种。 31 神奇的仿生工程 2.微小型仿生机器鱼 微小型仿生机器鱼是指结构尺寸微小、器件精密、可进行 微细操作的机器鱼，主要用于医学和一些工业领域。 按照其驱动方式主要分为：压电晶体式 （PZT）微小型机器鱼、永磁体式 （NdFeB）微小型机器鱼、离子交换聚合 体膜式（ICPF或 IPMC）微小型机器鱼、 介电弹性体式（ANTLA）微小型机器鱼、 形状记忆合金式（SMA）微小型机器鱼和 超磁致伸缩材料式（GMM）微小型机器 鱼等。 32 神奇的仿生工程 国外研究现状 1.概况 国外学者很早就致力于这方面的工作。其研究过程主要分为两个阶段： 20世纪90年代以前主要集中在鱼类游动机理的基础理论研究，90年代 以后开始研制仿生机器鱼整机系统。 主要机构有： 美国有MIT、佛罗里达大学、德州农工大学、宾夕法尼亚大学、波士顿 大学、加州理工学院、加利福尼亚大学、新墨西哥大学、伊利诺斯大 学、加州大学伯克利分校、SRC研究所、A&M公司、BIRG研究组等 日本有东海大学、名古屋大学、东芝公司、三菱重工HI、运输省船舶 技术研究所NMRl、东京工业大学 英国有Heriot—Watt大学、Essex大学 比利时有Vrije大学，土耳其有伊斯坦布尔技术大学、韩国有浦项科技 大学，新加坡有南洋理工大学等。 33 国外研究现状 神奇的仿生工程 2.国外几款典型机器鱼 1994，美国MIT，世界上第一条 仿生机器鱼Robotuna ，鱼长约 1.25m，宽约0.21m，速度2m/s。 1998年，DRAPER实验室 VCUUV，仿金枪鱼设计的，长 约2.4米，速度1.25米/秒 34 神奇的仿生工程 2.国外几款典型机器鱼 2003 年，日本三菱公司，金色 鲤鱼，鱼长1 米、重17 千克， 游速达0.4 米/秒，用于观赏 Festo的仿生机器人 2001年，日本运输省船舶技术研 究所(NMRI)，UPF-2001，鱼长 0.97m，最大速度0.97m/s 35 国内研究现状 神奇的仿生工程 1.概况 在仿生机器鱼研制方面，国内起步较晚。但随着国外仿生机器鱼研究的 兴起，以及我国高速发展的经济对远洋的迫切需求，越来越多的科研机构 开始从事这方面的研究工作。 主要机构有： 北京航空航天大学、中国科学院自动化所、 中科院研究生院、中国科学技术大学、 哈尔滨工业大学、沈阳自动化所、 上海交通大学、哈尔滨工程大学等 36 神奇的仿生工程 2.国内几款典型机器鱼 2004，北京航空航天大学，我国 第一条用于实际工作机器鱼，身 长1.23m．是大下潜深度为5m 北航机器人研究所，Robo-Manta， 在国内，首次将扑翼式推进机器 鱼引入到仿生机器鱼研究领域 37 神奇的仿生工程 2.国内几款典型机器鱼 国防科技大学，尼罗河魔鬼 Amiiform，MPF模式游动，速 度可达1.5m/s 哈尔滨工程大学，微型仿生机 器鱼，科技部“十一五”“863” 项目 38 神奇的仿生工程 讨论一 如果这种机器人真正进入人们的生活， 将会是怎么样呢？ 随着机器人技术的进一步发展，未来的 女性化机器人能否代替成为人们现实生活中 的妻子呢？ 39 神奇的仿生工程 能够对儿童进行洗脑 教育的教师机器人 讨论二 这种机器人如果被用于军事和教育会有怎样的后果？ 40 神奇的仿生工程 讨论三 如果你遇到这样的机器人 你应该怎样做？ 令人毛骨悚然的儿童机器人 41 神奇的仿生工程 未来可以读懂人类思维的机 器人 讨论四 这种机器人可以应用在哪些领域？ 42 神奇的仿生工程 已在战场上测试的武装机器人 讨论五 如果这种机器人有了自己的智能？人类如何 与其抗衡？（建议观看施瓦辛格的《终结者》 系列） 43 神奇的仿生工程 “空中水母”机器人 讨论五 能否思考出这种机器人应用了什么样的技术？ 44 思考题 神奇的仿生工程 1.对未来仿生机器人发展的展望。 2.未来仿生机器人是否会对人类构成威胁？ 45